黑磷是磷的一种同素异形体,常压下具有二维层状结构,是直接带隙半导体。自从2014年复旦大学教授张远波和中国科学技术大学教授陈仙辉等发现二维黑磷场效应晶体管表现出很高的载流子迁移率和良好的I-V特性,其作为新型的带隙可调的二维电子材料受到了广泛关注(黑磷或将成“第二个石墨烯”)。同时,也激发了人们对黑磷单晶重新研究的兴趣,中国科学院物理研究所的多个课题组分别从不同角度对其开展了实验和理论的研究。
早期的高压研究显示,黑磷在常压下具有正交结构(A17相),高压下会经历两个结构相变,分别在约5GPa和10GPa依次转变为菱方结构(A7相)和简单立方结构(SC),而且这两个高压相在低温下都出现超导电性。最近,人们利用活塞-圆筒压腔在2.5GPa的静水压范围内对黑磷单晶开展了详细研究,发现其在约1GPa还会发生Lifshiz转变,从半导体转变为具有非平庸贝里相位的拓扑半金属,磁电阻和霍尔电阻均表现出明显的量子振荡以及具有手性反常的负磁阻行为。然而,由于高压技术的限制,人们对A7和SC这两个高压相的磁电阻行为,尤其是在较好静水压下的内禀性质还缺乏系统的研究。
最近,中科院物理所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX6组博士孙建平、研究员程金光与凝聚态理论与材料计算重点实验室研究员向涛,联合美国德克萨斯大学奥斯汀分校博士李翔、教授周建十、John B.Goodenough、宁波大学博士高淼、日本东京大学教授Yoshiya Uwatoko等合作者,采用六面砧大腔体高压低温物性测量装置,在15GPa静水压、1.5 K最低温和9T磁场的综合极端环境下,对高质量的黑磷单晶开展了细致的高压下磁电输运性质测量,重现了黑磷丰富的高压相和电子物态,并详细表征了它们的磁电输运行为,为全面理解黑磷高压相的物理性质提供了重要信息。